Solaranlagen,
bei denen Spiegel, Linsen oder Parabolrinnensysteme eingesetzt werden
(Hochtemperaturanlagen), können
ausschließlich
die direkte Strahlung verwenden. Sie müssen in der Regel der Sonne nachgeführt werden
und kommen nur in sehr sonnenreichen Gebieten der Erde zur Anwendung.
Die
den klimatischen Bedingungen Mitteleuropas besser angepassten Flach-
oder Vakuumkollektoren arbeiten auf einem niedrigerem Temperaturniveau.
Sie können
allerdings sowohl direkte als auch diffuse Sonnenstrahlung in Wärme umwandeln.
Heute
werden thermische Solaranlagen vorwiegend für die Warmwasserbereitung und
bestenfalls zur Heizungsunterstützung
genutzt.
Die
erwünschten
Temperaturen liegen bei 45–60°C. Die Temperaturen
von Heizungsunterstützenden Systemen
liegen meist deutlich höher
(außer
Niedertemperatur, Warmluftheizungen mit Wärmerückgewinnung oder Fußboden-Wandheizungen)
und können – speziell
im Winter – nicht
allein von der Solaranlage erreicht werden. Eine Solaranlage kann
also (bisher) immer nur einen gewissen Anteil der insgesamt benötigten Heiz- und
Warmwasser-Energie decken.
Bisher
war die bivalente Betriebsweise wirtschaftlich optimal. Unter Bivalenz
versteht man dabei das Zusammenwirken verschiedener Heizsysteme,
wie z.B. einer Solaranlage mit einer konventionellen Gas- oder Ölheizung.
Diese Systeme sind inzwischen weit verbreitet, technisch ausgereift
und arbeiten oft am Rande der Wirtschaftlichkeit.
Solare Raumheizung mit
Wärmepumpe
und Energierückgewinnung
im Sommer
Die
Nutzung der Solarenergie zum Zweck der Raumheizung mit einer Niedertemperaturheizung
(möglichst
Fußbodenheizung,
Kapillarrohrmatten, großflächige Heizkörperflächen oder
Warmluftheizung mit Wärmerückgewinnung)
stellt andere Anforderungen an die Systemauslegung als bei der Warmwasserbereitung.
Bei
dieser Konzeption wird die Solaranlage als primäre Energiequelle angesehen.
Die Kollektorfläche beträgt mindestens
ein viertel der zu beheizenden Wohnfläche und der/die Solarwärmespeicher
erreicht/erreichen einige Kubikmeter Wasserinhalt. Mit thermochemischen
Speichern oder Phasenwechselmaterialien (PCM-Technik) kann bei gleichem
Volumen deutlich mehr Wärme
gespeichert werden.
Eine
weitgehende Deckung des Wärmebedarfs
während
der Wintermonate ist nur bei gut wärmegedämmten Häusern möglich.
Hinsichtlich
der Auswahl eines geeigneten Heizungssystems in Verbindung mit einer
thermischen Solaranlage sei erwähnt,
dass eine Flachkollektoranlage im Durchschnitt Vorlauftemperaturen
von 55°C
liefert (Vakuumkollektoren deutlich mehr). Es wird somit deutlich,
dass eine Niedertemperaturheizung wesentlich besser geeignet ist
als eine konventionelle Radiatorheizung (Vorlauftemperatur 70–90°C).
Die
Dimensionierung einer solaren Heizungsanlage muß unter Berücksichtigung aller im Einzelfall
auftretenden Gebäude-
und Nutzungsdaten durchgeführt
werden. Besondere Bedeutung kommt dabei der Güte der Wärmedämmung und somit dem Wärmebedarf
des Hauses zu. Eine Abschätzung
liefern folgende Werte.:
| Kollektorfläche: | 1,5–2,5 m2 pro 1.000 kWh Jahreswärmeverbrauch |
| Inhalt
des Brauchwasserspeichers: | 1
m3 pro 10 m2 Kollektorfläche |
| Inhalt
eines Sorptions- oder PCM-Wärmespeichers: | ca.
0,25 m3 pro 10 m2 Kollektorfläche |
Eine
Verdoppelung der Solarfläche
erbringt nur etwa 10–20%
mehr Wärmeertrag
bei direkter Beheizung, über
die Solaranlage, des Gebäudes.
Unter Verwendung einer Wärmepumpe
und eines großen
Wärmespeichers
ist dieser Betrag jedoch wesentlich höher.
Eine
deutlich größere Solaranlage
kann, wie weiter unten beschrieben einen erheblichen Anteil der Wärme- und
Warmwasserversorgung übernehmen
und dabei überschüssige Energie
zurückspeisen.
Solange
die eingestrahlte Sonnenenergie groß genug ist, versorgt die Solaranlage
das Raumheizsystem und den Speicher mit Wärme. Überschüssige Solarenergie gelangt
in den Solar-Wärmespeicher
und steht an Tagen mit geringer Sonneneinstrahlung zur Verfügung.
(Bei
gleichzeitiger Stromerzeugung wird die Kondensationswärme auf
die Niedertemperatur-PCM -Speichermassen und/oder auf den Solespeicher übertragen).
Sobald
eine zur Raumheizung und Warmwasserbereitung ausreichende Wärmemenge
von den Kollektoren nicht mehr geliefert werden kann, nimmt die
Wärmepumpe
ihren Betrieb auf.
Die
Wärmepumpe
entzieht dem Solarkollektorkreislauf bei schwacher Einstrahlung
Wärme und
senkt somit die Kollektor-Arbeitstemperatur bis zu einem Wert von
5–10°C (je nach
Außentemperatur)
Hierdurch werden die Wärmeverluste
normaler Kollektoren stark verringert und somit ein deutlich größerer Anteil
der Einstrahlung nutzbar gemacht. Die Kollektortemperatur liegt
in diesem Fall meist deutlich über
der Außentemperatur,
jedoch unterhalb der benötigten
Vorlauftemperatur für
den Heizungskreislauf. (Insbesondere bei konventionellen Heizungssystemen).
Die
jahresdurchschnittliche Leistungszahl (Wirkungsgrad) der Wärmepumpe
wird im Vergleich zu herkömmlich
angewandter Technik wesentlich verbessert, wie die folgende Grafik
zeigt.
Leistungszahl
in Abhängigkeit
von der Temperatur der Wärmequelle
(Verdampfertemperatur) bei 35°C
(Kondensatortemperatur)
Anschließend kann
die Wärmepumpe
bei Bedarf ihre Heizenergie aus dem Puffer-, Sole-, Sorptions-, oder
PCM-Speicher beziehen.
Reicht
auch die hier gespeicherte Wärme
nicht aus (z.B. dauerhafte Schneebedeckung der Solaranlage), dann
wird die benötigte
Wärmeenergie
der Umgebung (z.B. Erdwärme,
Grundwasser oder Außenluft) entzogen.
(Die
für den
Wärmeentzug
des Erdreichs benötigten
großen
Flächen
haben bisher die Hauptkosten für
eine Wärmepumpenanlage
ausgemacht. Bisher wurde fast ausschließlich diese oder bei „Platzmangel" noch teurere Erdsonden-Technik
angewandt).
Mit
der bis hier beschriebenen Technik und der Nutzung einer Wärmepumpe
können
im Vergleich zu konventioneller Technik (zusätzlicher Heizkessel) bereits
erhebliche Energiemengen eingespart werden.
Das solare Energiekonzept
Bei
einer kompletten Dacheindeckung mit möglichst großflächigen und preisgünstigen
Solarmodulen (künftig
auch Fertigsolarmodulen nach dem Baukastenprinzip) können entsprechend
hohe solare Deckungsraten erzielt werden.
Bisher
konnte die solare Überschusswärme während des „Sommerhalbjahres" nicht genutzt werden. Es
musste im Gegenteil dafür
gesorgt werden, dass die Solaranlage nicht überhitzt und dadurch möglichen Schaden
nimmt. Eine Kühlung
der Kollektoren ist allerdings bei „aufgeladenem" Speicher kaum noch
möglich.
Nicht
zuletzt wurden die bisher installierten Anlagen aus diesem und aus
Kostengründen
eher unter- als überdimensioniert
und wurden vorwiegend nur zur Warmwasserbereitung genutzt.
Die
solaren Energieüberschüsse lassen
sich jedoch sinnvoll zur Energieerzeugung nutzen.
Solaranlagen
erreichen im Sommer Stillstandstemperaturen von mehr als 200°C. Mit Hochtemperaturanlagen
können
Temperaturen von über
500°C erreicht
werden.
Mit
einem ORC-Prozess (Umkehrung der Wärmepumpe) bzw. AWKD-Prozess
(Absorptions-Wärme-Kälte-Dampfkraftprozess)
kann nun während
der „ungenutzten" Sommerzeit die gleiche
elektrische Energiemenge oder mehr zurückgewonnen werden, wie im Winter
für den
Betrieb der Wärmepumpe
benötigt
wird. Die thermische Solaranlage kann in Verbindung mit einer Wärmepumpe
und einem ORC- bzw. AWKD-Prozess nicht nur Heizwärme und/oder Kälte sondern
zusätzlich
auch Strom bzw. mechanische Leistung erzeugen.
Technische Beschreibung:
Die Wärmepumpe:
Unter
Wärmepumpen
versteht man Maschinen, die Nutzwärme dadurch bereitstellen,
dass sie Umgebungswärme über den
Verdampfer bei einer tiefen Temperatur (z.B. aus der Umgebungsluft,
dem Erdreich oder Grundwasser) aufnehmen und sie bei einer höheren Temperatur
als Nutzwärme
an den Kondensator wieder abgeben. Der Energieaufwand für diesen „Pumpprozess" ist bei kleinen
Temperaturdifferenzen zwischen wärmeaufnehmender-
und abgebender Seite deutlich geringer als die abgegebene Nutzwärme.
Desto
geringer der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle (Verdampfer) und
der Vorlauftemperatur (Kondensator) für die Heizungsanlage desto
wirtschaftlicher arbeitet die Wärmepumpe.
Die
Leistungszahl ε errechnet
sich aus dem Verhältnis ε = Nutzleistung/aufgewandte
Leistung
Gute
Wärmepumpen
erreichen bei einer Temperaturdifferenz von 25°C (10°C Verdampfungstemperatur, 35°C Kondensationstemperatur)
eine Leistungszahl von durchschnittlich 5,2–5,6!
Der ORC-Prozess:
Der
ORC-Prozess basiert auf dem Wasser-Dampf-Prozess ähnlichen
Verfahren mit dem Unterschied, dass an Stelle von Wasser ein organisches
Arbeitsmedium (Kohlenwasserstoffe wie z.B. Iso-Pentan, Iso-Oktan,
Pentan, Perfluorpentan, Toluol, Silikonöl) oder ein Kältemittel
wie es bei der Wärmepumpe
verwendet wird.
Diese
Arbeitsmedien besitzen günstigere
Verdampfungseigenschaften bei tieferen Temperaturen und Drücken.
Die
im Sommer und in den Übergangszeiten
anfallende Überschusswärme aus
der Solaranlage oder Abwärme
oberhalb etwa 60°C
wird über
ein Wärmeträgermedium
oder besser direkt (Direktverdampfung des Arbeitsmittels ohne zusätzlichen
Wärmetauscher)
an den ORC-Dampfpprozess übertragen
und mechanische Energie erzeugt.
Organische
Arbeitsmittel zeichnen sich gegenüber Wasser durch günstigere
Verdampfungseigenschaften aus. Sie verdampfen und überhitzen
bei niedrigeren Temperaturen und geringerer Wärmezufuhr. Der Dampfdruck ist
gering, die Dampfmenge hingegen entsprechend groß!
Der Wärmepumpen-ORC-Prozess:
Bei
dem Wärmepumpen-ORC-Prozess
wird ein gemeinsames Kälte/Arbeitsmittel
verwendet.
Eine
modifizierte Wärmepumpe
arbeitet bei ausreichender Wärmezufuhr
als Antrieb für
den Generator. Die Anlage arbeitet in einem großen Temperatur- und Druckbereich.
Bei der Energieerzeugung erfolgt die Kondensation auf einem höheren Druckniveau
als bei getrennten Prozessen.
Als
gemeinsames Arbeitsmittel eignet sich z.B. das umweltfreundliche
Kältemittel
R 134 a. (einfache und preisgünstige
Lösung,
da nur ein Aggregat benötigt
wird).
Der AWKD-Prozess:
Der
nachfolgend beschriebene Prozess (Begriff und Anwendungen sind bisher
noch nicht bekannt) stellt eine Abwandlung und Erweiterung des oben
beschriebenen Prozesses dar, derart, dass auch solare Kühlung/Klimatisierung
sowie die Anwendung weiterer Technologien, wie z.B. die Abwärmenutzung
einer Brennstoffzelle möglich
werden.
Der
AWKD-Prozess (Absorptions-Wärme-Kälte-Dampfkraftprozess)
ist ein erweiterter Absorptionswärmepumpen
Prozess, bei dem jedoch mechanische bzw. elektrische Energie und
Kälte/Wärme gleichzeitig erzeugt
werden können.
Niedertemperaturwärme kann
dem Absorber und/oder dem Kondensator entnommen werden. Kälte wird über den
Verdampfer bereitgestellt.
Solarwärme und/oder
Abwärme
mit relativ hohem Temperaturniveau beheizt den Austreiber, so dass das
Kältemittel
(z.B. Ammoniak) aus der reichen Lösung (NH3/H2O) ausdampft.
Als
Abwärme
kommt z.B. Industrieabwärme,
Fernwärme,
Abwärme
von Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen mit einer Temperatur
oberhalb ca. 60–70°C in Betracht.
Der
in dem Austreiber erzeugte Dampf wird hierbei nicht wie bei einer
Absorptionswärmepumpe über einen
Kondensator und Expansionsventil sondern über eine Expansionsmaschine
(1–2),
(3) entspannt und somit zusätzlich mechanische Leistung
bzw. elektrischer Strom erzeugt.
Der
Dampf strömt
anschließend
in den Kondensator (2–3)
und wird bei möglichst
niedriger Temperatur verflüssigt.
Der Kondensator gibt je nach Bedarf die Wärme an den Heizungskreislauf
(Wärmebedarf),
an die Umgebung (Kühlbedarf)
oder an den Verdampfer (weder Kühl-
noch Wärmebedarf)
ab, wobei zahlreiche Zwischenschritte möglich sind.
Im
Verdampfer entzieht das „Kältemittel" dem zu kühlenden
Gut Wärme.
Im Anschluss wird der „Kältemitteldampf" im Absorber von
der ammoniakarmen Lösung
unter Wärmeabgabe
absorbiert.
Systemvarianten in Abhängigkeit
unterschiedlicher Last- und Anwendungsfälle:
Wird
wenig oder gar keine Kälte
benötigt,
kann der Kondensator über
den anschließenden
Verdampfungsprozess gekühlt
werden.
Bedingt
durch das günstige
Wärmeübertragungsverhältnis bei
der Verdampfung und Kondensation besteht hierdurch eine im Vergleich
zum ORC-Prozess niedrigere untere Prozesstemperatur, was einen besseren
Carnot-Wirkungsgrad bewirkt.
Bei
geringem Niedertemperatur-Wärmebedarf
und ausreichender Solarwärme
(Frühjahr/Herbst)
kann die benötigte
Heizwärme über den
Absorber und/oder dem Kondensator entnommen werden. Die Expansionsmaschine
liefert bereits bei einer geringen Temperaturdifferenz (zwischen
Austreiber und Kondensator) einen geringen Energiebetrag.
Bei
hohem Wärmebedarf
und geringer Solarwärme
wird der Austreiber über
einen Heizkessel, Fernwärme
oder über
die Abwärme
eines Verbrennungsmotors bzw. einer Brennstoffzelle beheizt. Dem
Verdampfer (4–5)
wird hierbei die Solar- oder Umgebungswärme (z.B. Außenluft,
Erdreich) zugeführt.
Die benötigte Heizwärme wird
dem Kondensator und dem Absorber entnommen.
Der
Dampf wird über
den Kondensator (2–3)
auf dem benötigten
Temperaturniveau ausgekoppelt. Dies ermöglicht eine gute Anpassung
an einen variablen Wärmebedarf,
wobei der mechanische Wirkungsgrad bei höherem Temperaturniveau sinkt.
Werden
hohe Temperaturen benötigt
(z.B. für
Heißwasser)
kann die Expansionsmaschine vorübergehend überbrückt werden
(3, gestrichelt dargestellt).
Der
Dampf gelangt somit wie bei einer konventionellen Absorptionswärmepumpe
auf einem höheren Druck-
und Temperaturniveau direkt in den Kondensator.
Bezogen
auf den Primärenergieeinsatz
kann z.B. unter Verwendung einer erdgasbetriebenen Brennstoffzelle,
die gewöhnlich
etwa 40–50%
el. Energie und ca. 40–60%
Abwärme
erzeugt und bei zusätzlicher Nutzung
der Solar- bzw. Umgebungswärme
etwa 70–120%
Niedertemperaturwärme
und 45–55%
el. Energie gewonnen werden.
Der
Gesamtwirkungs- bzw. Nutzungsgrad steigt auf 130–160%.
Gleiches
gilt auch für
die Nutzung von Fernwärme
auf Basis der Kraft-Wärme-Kopplung
und für
BHKW-Anlagen.
Bei
gleichzeitigem Wärme
und Kältebedarf
(z.B. in der Lebensmittelindustrie) wird die benötigte Kälte dem Verdampfer entnommen
(bis –60°C).
Ebenso
ist auch ein Antrieb (elektrisch oder über einen Verbrennungsmotor)
der Expansionsmaschine möglich,
die jetzt als Wärmepumpe
dient.
Hierbei
wird der Prozess zwischen dem Absorber und dem Austreiber (5–1) überbrückt (3,
gestrichelt dargestellt).
Der
Ammoniakdampf darf hierbei nur sehr geringe Mengen Wasser enthalten.
Der
Strom für
den el. Antrieb kann von der Brennstoffzelle oder aus dem EVU-Netz
geliefert werden.
Bei
hohem Kälte-
und/oder Strombedarf und hoher solarer Einstrahlung wird der Austreiber über die Solaranlage
und zusätzlich über einen
Heizkessel oder über
die Abwärme
eines Verbrennungsmotors bzw. einer Brennstoffzelle beheizt.
Die
benötigte
Kälte wird
dem Verdampfer (4–5)
entnommen. Die Kondensatorkühlung
erfolgt über
Außenluft, über das
Erdreich, über
Grund- oder Brunnenwasser.
Technik:
Außerhalb
der Heizperiode sollte für
die Kondensatorkühlung
des ORC-Prozesses und für
die Kondensator-Absorberkühlung
des AWKD-Prozesses (bei Kühlungsbedarf)
nach Möglichkeit
Grundwasser oder ein großer,
ins Erdreich eingebrachter Wasserspeicher (z.B. eine Regenwasserzisterne)
genutzt werden, da bei maximaler Sonneneinstrahlung erhebliche Mengen
an möglichst
kalten Kühlwasser
benötigt
werden.
Bei
Wärmebedarf
und ausreichender Sonneneinstrahlung erfolgt die Kondensatorkühlung über den Heizungsrücklauf (auf
möglichst
niedrigem Temperaturniveau).
Hierdurch
kann auch im Winter und in der Übergangszeit
solarer Strom erzeugt werden.
Bei
einer maximalen Sonneneinstrahlung von etwa 1.000 Watt/m2, einem Kollektorwirkungsgrad von etwa 50%
bei einer Temperatur von 100–150°C und einem
Prozesswirkungsgrad von etwa 7–12%
fällt eine Kühl- bzw.
Kondensationswärme
von etwa 450 Watt/m2 Kollektorfläche an (Kondensatoreintrittstemperatur 10°C, Austrittstemperatur
20°C). Der
Dampfprozess erzeugt dabei eine Leistung von ca. 35–70 W/m2.
In
sonnenreichen Gegenden können
mit Hochtemperaturanlagen deutlich höhere Leistungen erzielt werden
(mit dem AWKD-Prozess auch deutlich höhere Kühlleistungen).
„Spitzenleistungen" können über einen
Zwischenwärmespeicher
reduziert werden, um eine konstante Energieerzeugung bei geringerer
Leistung bereitzustellen und die Größe und Kosten der ORC-Dampfanlage zu minimieren.
Außerdem
kann ein Teil der Kondensationswärme über einen
Rekuperator zurückgewonnen werden,
indem das kondensierte Arbeitsmedium vorgewärmt wird. Der Re kuperator (Wärmetauscher)
befindet sich vor dem Kondensator (ORC-Prozess). Im Anschluß ist eine
weitere Vorerwärmung
und evtl. Verdampfung über
den Pufferspeicher möglich.
Eine weitere Verdampfung und/oder Überhitzung des Arbeitsmittels
erfolgt über
die Solarkollektoren.
Ist
die Nutzung von Grundwasser (über
einen Brunnen) nicht möglich
so kann die Kühlung
auch über die
Außenluft
(günstige
Lösung
aber Wirkungsgradverlust aufgrund höherer Außentemperaturen) oder über eine überdimensionierte,
ins Erdreich eingebrachte Regenwasserzisterne erfolgen, die sinnvollerweise
auch für
die Grundstücksbewässerung,
Toilettenspülungen,
Waschmaschinen und dergleichen genutzt wird (ca. 50% des Wasserbedarfs).
Die Zisterne befindet sich im ständigen
Austausch mit der Umgebungswärme
des Erdreiches bei ca. 10°C
(Sommer wie Winter) und sollte eine möglichst große Oberfläche zur Erdumgebung bei ausreichender
Tiefe haben. Sie kann somit sowohl im Sommer als Kondensator für die Stromerzeugung dienen,
als auch im Winter, bei nicht ausreichendem Solarwärmeertrag
einen Beitrag zur Wärmeerzeugung leisten.
Eine Vereisung muss vermieden werden.
Das
eingesetzte Kälte-
und ORC-Arbeitsmittel muß natürlich völlig umweltfreundlich
und ungiftig sein, obwohl die Kreisläufe über ein Wärmeträgermedium voneinander getrennt
sind. (außer
bei direkter Erhitzung bzw. Kühlung).
Ein
wesentlicher Schritt bei der Entwicklung dieser Technik ist die
Zusammenwirkung einer elektrischen Wärmepumpe und eines ORC-Dampfprozesses
unter der Nutzung gemeinsamer Technik. Unter Verwendung eines gemeinsamen
Kältemittels
dient die Wärmepumpe
im Sommer als Antrieb für
den Generator! (Wärmepumpen-ORC-Prozess)
Bei
getrennten Prozessen kann z.B. der Elektromotor (Drehstrom-Asynchronmotor),
der für
den Antrieb des Verdichters dient auch als Generator für den ORC-Prozess
genutzt werden.
Hierfür ist eine
gemeinsame Welle, eine Kupplung und evtl. eine Übersetzung erforderlich.
Über eine
Stern-Dreieck-Schaltung kann der Motor bzw. Stromgenerator in zwei
Leistungsstufen betrieben werden.
Darüber hinaus
kann die Drehzahl und die Leistung über eine Polumschaltung in
zwei oder mehreren Stufen variiert werden (z.B. 1.500 und 3.000
U/min). Hierdurch ergeben sich Leistungsstufen von z.B. 1/1, 1/2, 1/3
und 1/6 der Nennleistung für
Generator und Motor.
Für den ORC-,
dem Wärmepumpen
ORC- und dem AWKD-Dampfprozess kann vorerst eine modifizierte oder
umgerüstete
Kolben- oder Schraubenverdichterwärmepumpe dienen (Weiterentwicklung
und Verbesserung).
Erst
bei einer Leistung oberhalb von etwa 200 kW kommen Turbinen zum
Einsatz.
Mess-Steuer-
und Regelungstechnik ist für
einen optimalen, wirtschaftlichen und sparsamen Betrieb unumgänglich (Energie
Management System).
Bei
dem AWKD-Prozess sollten das Drosselventil und die Pump zwischen
Absorber und Austreiber) in einer Einheit zusammengefasst werden,
damit der Überdruck
einen Teil der benötigten
Pumpleistung kompensieren kann. Gleichzeitig wird über einen
Lösungswärmeübertrager
Gegenstromwärmetauscher)
die Effizienz der Anlage deutlich verbessert.
Die
zukünftigen
Entwicklungsziele sollten sich auf eine weitere Verbesserung des
erreichbaren Wirkungsgrades und die Weiterentwicklung von umweltfreundlichen
organischen Arbeitsmitteln und Zwei- bzw. Mehrstoffgemischen für geringe
Temperaturbereiche fokussieren.
Bei
direkter Erwärmung
des Arbeitsmittels über
die Solarkollektoren oder über
Abwärme
erreicht der Dampfprozess einen höherer Wirkungsgrad, da die
Wärmeverluste
des Wärmetauschers
entfallen. Wird die Solarflüssigkeit
durch das Arbeits- oder Kältemittel
ersetzt (z.B. Perfluorpentan oder R 134 a), so muß die gesamte
Anlage allerdings einen hohen Druck standhalten, der jedoch schon
heute von vielen Herstellern garantiert wird. Das Arbeitsmittel
siedet ab –30°C und kann
somit bereits bei geringen Temperaturen und geringem Dampfdruck
einen Beitrag zur Stromerzeugung leisten.
Abwärmenutzung Von Verbrennungsmotoren
und Brennstoffzellellen im stationären und mobilen Bereich:
Bei
der Umwandlung thermischer in mechanische Energie ist der Wirkungsgrad
durch die Thermodynamik auf Maximalwerte begrenzt, die durch die
absoluten Temperaturen der Verbrennung und des Abgases, sowie des
Kühlmittels
gegeben sind (2. Hauptsatz der Thermodynamik).
Begrenzungen
dieser Temperaturen durch die vorhandenen Materialien und das Temperaturniveau der
Umgebung schränken
diesen Wirkungsgrad auf etwa 35–45%
ein.
Die
Abwärme
wird nur in seltenen Fällen
vollständig
genutzt.
Die
Betrachtung der Energiebilanz moderner Motoren und Brennstoffzellen
ermöglicht
die quantitative Abschätzung
der Energieeinsparung bzw. der Leistungssteigerung und CO2-Reduzierung unter Nutzung der Abwärme mit
dem AWKD- oder ORC-Prozess.
Motorabgase
erreichen Temperaturen von etwa 600°C, Brenntoffzellen 80–1000°C.
Kälte- und
Klimaanlagen in Fahrzeugen und Schiffen werden gewöhnlich mechanisch
(Kompressionskälteanlagen)
angetrieben und benötigen
somit zusätzliche
Antriebsenergie.
Auch
hier kann unter der Nutzung des ORC bzw. AWKD-Prozesses zusätzliche
Antriebs- bzw. mechanische oder elektrische Energie und Kühlleistung
erzeugt werden.
Im
mobilen Bereich (z.B. Schiffe, LKWs, Busse, Schienenfahrzeuge) geht
es insbesondere um eine Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Möglichkeit
der Kühlung,
Klimatisierung und Energieeinsparung.
Je
nach benötigter
Kälteleistung
ist auch eine Kombination aus AWKD- und ORC-Prozess möglich, da mit
dem ORC-Prozess höhere
obere Prozesstemperaturen erreicht werden können.
Die
Kondensator und/oder Absorberkühlung
erfolgt über
Seewasser oder über
die Außenluft
bzw. über den
Fahrtwind.
Unter
Nutzung der AWKD-Technik kann auch hier der Kondensator über den
anschließenden
Verdampfungsvorgang gekühlt
werden (abhängig
von der benötigten
Kühlleistung).
Um
den Luftwiderstand gering zu halten können Teile der Karosserie zu
Kühlzwecken
genutzt werden, die von der Kühlflüssigkeit
oder direkt von dem Arbeitsmittel durchströmt werden.
Eine
thermische Solaranlage kann auch hier einen weiteren Beitrag zur
Energie- und Kälteerzeugung leisten
(z.B. bei längeren
Stillstand- bzw. Liegezeiten).
Über den
ORC- bzw. AWKD-Prozess ist eine mechanische Leistungssteigerung
von 10–30%
möglich.
Die
Abwärme
von Brennstoffzellen sowie die Kühl-
und Abgaswärme
von Verbrennungsmotoren kann über
einen Thermoölkreislauf
auf den AWKD- bzw. an den ORC-Prozess übertragen werden. Thermoöl wird als
Wärmeträger verwendet,
da mit diesem Medium möglichst
hohe Temperaturen übertragen
werden können (ca.
300°C).
Synthetische
Thermoöle
erlauben Temperaturen bis etwa 400°C.
Unter
Einsatz dieses Wärmeträgermediums
ließen
sich Wirkungsgrade von max. ca. 24% (mit Wärmeauskopplung bei ca. 80°C) bzw. bis
ca. 30% (ohne Wärmeauskopplung)
erreichen.
Noch
effektiver und Materialsparender ist eine direkte Motor- bzw. Brennstoffzellenkühlung über das Arbeitsmedium,
wobei das gesamte System je nach eingesetztem Arbeitsmedium unter
hohem Druck stehen kann.
Bei
der Abwärmenutzung
von Verbrennungskraftmaschinen können
unterschiedliche Temperaturniveaus aus den Kühlern von Ladeluft, Schmieröl, Zylinderkühlwasser,
evtl. Kondensationswärme
und dem Abgaswärmetauscher
genutzt werden.
Verbesserungsmöglichkeiten:
Die
Brennstoffzellentechnik befindet sich noch in der Entwicklung. Erdgasbetriebene
Hochtemperaturbrennstoffzellen erreichen Betriebstemperaturen von
600 bis 1.000°C.
Bei der Forschung und Entwicklung sollte die Abwärmenutzung für den AWKD-
oder ORC-Prozess mit berücksichtigt
werden, um beide Techniken optimal miteinander zu kombinieren. Gleiches
gilt auch für
Verbrennungsmotoren! Die Abwärme
für die
Motor-Zylinderkühlung
sollte einen möglichst
geringen Anteil an der Gesamtabwärme
haben (Dieselmotor). Die Abgase können bis zur Kondensation genutzt
werden (zu Heizzwecken).
Über einen
Regenerator (auch als Rekuperator bezeichnet), der sich vor dem
Kondensator befindet, kann ein Teil der Kondensationswärme für den Arbeitsprozess
zurückgewonnen
werden.
Für kleinere
Leistungsbereiche kommen aus Kostengründen Kolben bzw. Schraubenantriebe
zum Einsatz. Im mobilen Bereich gibt es Probleme mit der Anlagengröße und Gewicht.
Das Arbeitsmittel sollte nach Möglichkeit
anstelle von Kühlwasser
direkt für
die Motor- bzw. Brennstoffzellenkühlung genutzt werden, um Übertragungsverluste,
Kosten und Gewicht zu sparen. Anschließend kann das Arbeitsmedium über einen
Abgaswärmetauscher
verdampft und/oder überhitzt
werden.
Sinnvoll
ist hier die Nutzung eines gemeinsamen Motorblocks mit integrierter
Möglichkeit
der Dampfnutzung.
Unter
Verwendung verfügbarer
Techniken lassen sich auch heute schon einzelne Projekte ab einer Größe von ca.
300 kW rasch realisieren.
Solartechnik:
Zur
Erzielung eines möglichst
hohen Solarwärmeertrages
während
der Wintermonate müssen
die Kollektoren je nach Art des Gesamtsystems, ca. 35–70° gegen die
Horizontale geneigt sein. Die architektonische Integration solch
stark geneigter Kollektorflächen
ist insbesondere bei Mehrfamilienhäusern und Pultdächern schwierig.
Ein
Teil der Gesamtfläche
sollte daher einen optimalen Neigungswinkel zur Sonne aufweisen.
Hochleistungs-Vakuumkollektoren können z.B. an der Fassade angebracht
werden.
Noch
besser wäre
eine schwenkbare Konstruktion [im Winter ca. 60°–80° Neigungswinkel, im Sommer 20–30° Neigungswinkel
(z.B. überdachte
Terrasse)]. Die vorgewärmte
Solarflüssigkeit
wird über
diese „optimal ausgerichtete" Fläche weiter
erwärmt
und kann somit besser genutzt werden. Für die Vorerwärmung können auch
mit der Solarflüssigkeit
oder über
das Arbeitsmittel gekühlte
Photovoltaikelemente zum Einsatz kommen. (Reihenschaltung, Nacherwärmung über thermische
Solaranlage).
Die
Photovoltaikelemente können
somit ebenfalls in die Dach- oder Fassadenkonstruktion integriert werden
und müssen
nicht aufwendig hinterlüftet
werden.
Auch
bei der Photovoltaik wird ein Großteil der Sonneneinstrahlung
in Wärme
umgesetzt. Diese Wärme
muß abgeführt werden.
Aufgrund
der Kühlung
kann bei starker Sonneneinstrahlung aber auch schon während der
Heizperiode ein deutlich besserer el. Wirkungsgrad der Photovoltaikelemente
erreicht werden (der el. Wirkungsgrad sinkt pro °K Temperaturerhöhung um
etwa 0,4–0,5%).
Außerdem kann
eine Überhitzung
vermieden und die Lebensdauer hierdurch erhöht werden.
Wärme-Kälte-Speichertechniken:
Als
Wärmespeicher
dienen Warmwasserpufferspeicher, Sorptions- oder PCM-Speicher, ausgelegt
für eine
Schlechtwetter-Überbrückungszeit
von 4–10
Tagen (je nach Außentemperatur).
Die
Restwärme
kann anschließend
auf einen Sole- oder Wasserspeicher übertragen werden.
Die
Raumwärme
und ggf. Kälteabgabe
erfolgt über
eine Fußbodenheizung
oder einem Warm/Kaltluftsystem mit Wärme/Kälterückgewinnung. Ebenso können Kapillarrohrmatten
im Estrich und teilweise im Wandputz verlegt werden.
Dem
Estrich und Wandputz werden neuartige Phasenwechselmaterialien (PCM-Technik)
beigemischt, um eine höhere
Wärmespeicherung
(bei gleichbleibender Temperatur!) bei einem deutlich angenehmeren Raumklima
zu erreichen.
Der
Vorteil von Kapillarrohrmatten liegt gegenüber konventioneller Systeme
bei einer gleichmäßigeren Wärmeverteilung
und einer deutlich geringeren Spreizung von Vor- und Rücklauftemperatur
von etwa 4–5°C.
Hierbei
sind Vorlauftemperaturen von nur 25–30°C realisierbar (Direktbeheizung über die
Solar-Anlage bzw. über die
Kondensationswärme
bei gleichzeitiger Stromerzeugung).
Die
Wärme-
bzw. Kälteleistung
beträgt
bei 10°C
Temperaturdifferenz bereits etwa 80–90 W/m2.
Nachdem
der Wärmeenergiefluss
die Niedertemperaturheizung durchströmt hat, kann dieser in einen Sole-
oder Wasserspeicher (z.B. Regenwasserzisterne) gelangen und dort
(insbesondere während
der Heizperiode) auch Wärme
unterhalb der Raumtemperatur und oberhalb der Erdreich- bzw. Umgebungstemperatur abgeben.
Diese
Wärme kann
später
bei Bedarf über
den Verdampfer der Wärmepumpe
bzw. des AWKD-Prozesses
genutzt werden.
Außerdem kann
der Speicher zur Kühlung
des Kondensators und Absorbers dienen.
Eine
Kühlung
der Gebäude
kann direkt über
das Kühlwasser
(mittels Wärmetauscher)
oder über
den Verdampfer des AWKD-Prozesses und lediglich durch die Umwälzpumpe
erfolgen. Hier ist ebenfalls nur eine geringe Temperaturspreizung
erforderlich (Vermeidung von Luftkondensation). Der Energieaufwand
für die Kühlung beschränkt sich
hierbei auf die Pumpleistung und beträgt ca. 2–4% einer konventionellen Kühlung/Klimatisierung.